DE102015223070A1

DE102015223070A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Fügen von Papiermaterial, insbesondere Papier, Karton oder Pappe

Info

Publication number: DE102015223070A1
Application number: DE102015223070.8A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Wieduwilt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Syntegon Technology GmbH
Priority date: 2015-11-23
Filing date: 2015-11-23
Publication date: 2017-05-24

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Verbinden von Papiermaterial, insbesondere Papier, Karton oder Pappe, wobei das Papiermaterial (16, 18) keine zusätzliche thermoplastische Beschichtung aufweist, wobei zumindest ein Fügeelement (10, 12) vorgesehen ist, das auf das zu verbindende Papiermaterial (16, 18) einen unelastischen Stoß ausübt.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Vorrichtung und ein Verfahren zum Fügen von Papiermaterial, insbesondere Papier, Karton oder Pappe nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
In EP 0 340 334 A2 wird eine Vorrichtung beschrieben, die sich zum Verbinden von zwei- oder mehrlagigen Papiererzeugnissen mittels Ultraschall eignet. Das verwendete Papier ist dabei mit einer thermoplastischen Beschichtung versehen. Mittels der Sonotrode werden dabei Longitudinalwellen erzeugt, so dass sich die Sonotrode bei der Ultraschallschwingung auf den Amboss zu und wieder von dem Amboss wegbewegt. Durch die entsprechende Ultraschallfrequenz und den entsprechenden Anpressdruck wird hier eine ausreichende Verdichtung der Papierlagen erzeugt. Gleichzeitig kommt es zu einer hohen Wärmeentwicklung im Mikrobereich der thermoplastischen Beschichtung und somit zum Verkleben der Papierlagen.
Die DE 102013225745 A1 offenbart ein Ultraschallfügeverfahren zum Verbinden von Papiermaterial, insbesondere Papier, Karton oder Pappe, umfassend die folgenden Schritte: Einbringen des Papiermaterials in einen Spalt zwischen einer Sonotrode und einem Amboss, Beaufschlagen des Papiermaterials im Spalt mit einer Fügekraft in einer Fügekraftrichtung, und Versetzen der Sonotrode in eine Ultraschallschwingung zum Fügen des Papiermaterials, wobei ein Ultraschallreibschweißen durchgeführt wird, bei dem die Fügekraftrichtung zur Schwingungsrichtung der Ultraschallschwingung nicht parallel ist. Vergleichbare Anordnungen sind auch in der DE 102013225743 A1 bzw. der DE 102013225737 A1 offenbart.
Offenbarung der Erfindung
Beim der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Fügen von Papiermaterial, insbesondere Papier, Karton oder Pappe, gemäß den unabhängigen Ansprüchen ist erfindungsgemäß ein Fügeelement vorgesehen, welches einen unelastischen Stoß auf das Papiermaterial aufbringt, vorzugsweise auf eine befeuchtet Stelle.
Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass ein sehr viel besseres Fügen von Papiermaterial möglich ist, wenn ein elastischer Stoß aufgebracht wird, bei dem kinetische Energie in Wärme und Formänderungsarbeit umgesetzt wird. Diese Wärme führt zur lokalen Temperaturerhöhung des bereits an den Fügestellen erweichten Papiers und reicht offenbar aus, um Teile dieser Oberflächen zu plastifizieren. Durch die Formänderungsarbeit werden die zu verbindenden Papieroberflächen ineinander verwirkt. Insbesondere in der Verpackungsindustrie kommen zahlreiche Arten von Klebeverbindungen von Kartonagen mit Hilfe von Dispersionsklebstoffen (Kaltleim) und Schmelzklebstoffen (Heißleim) zum Einsatz. Um den Verpackungsprozess zu rationalisieren, sauberer und hygienischer zu gestalten, können Vorrichtung und Verfahren gemäß vorliegender Erfindung eingesetzt werden. Gegenüber dem Klebeverfahren haben die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren die folgenden Vorteile: Es wird kein Fügematerial benötigt, so dass Heiß- bzw. Kaltleim substituiert werden kann. Das Papiermaterial benötigt für den Fügevorgang keine zusätzliche thermoplastische Beschichtung. Herkömmliche Klebemaschinen neigen stark zum Verschmutzen. Da beim erfindungsgemäße Verfahren bevorzugt keine Zusatzstoffe verwendet werden, mit Ausnahme der bevorzugten Anwendung von Wasser zur Befeuchtung, kann eine Verringerung der Verschmutzung und somit das Einhalten der hygienischen Standards, die für die Lebensmittel- und Pharmaindustrie von hoher Bedeutung sind, erzielt werden. Daraus ergibt sich auch, dass bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht die Gefahr einer Migration von Fügemittel (Leim) in das Packgut besteht. Des Weiteren ergibt sich eine hohe Energieeinsparung, da kein kontinuierliches Aufheizen des Heißleims notwendig ist. Der für den Fügevorgang notwendige Energieeintrag findet nur während der Fügezeit statt. Durch die kurzen Zyklen im Bereich von 0,1 ist 1 Sekunde und Haltezeiten von 0,1–2 Sekunden eignet sich der Einsatz in der Serienproduktion für hohe Stückzahlen. Außerdem wird eine sortenreine Trennung von Recyclingsfaserstoffen möglich.
Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass das Papiermaterial, vorzugsweise an Innenseiten von Fügestellen vor und/oder während dem Fügen durch Aufbringung eines unelastischen Stoßes befeuchtet wird. Das Befeuchten erfolgt vorzugsweise mit flüssigem Wasser und/oder Wasserdampf und/oder einem Befeuchtungsmittel oder ähnlichem. Dadurch kann die Fügetemperatur unter die Verbrennungstemperatur weiter gesenkt werden, was zu einer Reduzierung des notwendigen Energieeintrags führt. Eine Art Verdichtung der Fügeflächen schafft die Vorrausetzung für die Ausbildung von Wasserstoffbrücken, welche durch das Befeuchten aktiv unterstützt wird. Dies wird vielmals auch als Verfilzung beschrieben.
Weitere zweckmäßige Weiterbildungen ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden drei Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. Dabei zeigen:
1 eine schematisch vereinfachte Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zwei bewegten Fügeelementen gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
2 eine schematisch vereinfachte Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem bewegten Fügeelement und einem Gegenelement gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
3 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem unten angeordneten Fügeelement und einem darüber angeordnetem Gegenelement gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
Ausführungsform der Erfindung
1 zeigt in stark schematisch vereinfachter Seitenansicht eine Vorrichtung zum Fügen von Papiermaterial 16, 18, insbesondere Papier, Karton oder Pappe nach dem ersten Ausführungsbeispiel. Das zu fügende Papiermaterial 16, 18 umfasst vorzugsweise zwei Schichten, bestehend aus einem ersten Papiermaterial 16 und einem weiteren Papiermaterial 18. Oberhalb des ersten Papiermaterials 16 ist ein Fügeelement 10 angeordnet. Die beiden Schichten 16, 18 sollen miteinander verbunden werden. Das Fügeelement 10 bringt vorzugsweise senkrecht zur Oberfläche des Papiermaterials 16, 18 einen Schlagimpuls F1 auf, indem das Fügeelement 10 mit einer Masse m1 und einer Geschwindigkeit v1 sich in Richtung zum Papiermaterial 16, 18 bewegt und so einen unelastischen Stoß F1 auf das Papiermaterial 16, 18 ausübt. Auf der gegenüberliegenden Seite des Papiermaterials 16, einwirkend auf das weitere Papiermaterial 18, ist ein weiteres Fügeelement 12 angeordnet. Das weitere Fügeelement 12 mit einer Masse m2 und einer Geschwindigkeit v2 bewegt sich in Richtung zur Oberfläche des weiteren Papiermaterials 18. Abhängig von diesen Parametern übt auch das weitere Fügeelement 12 einen unelastischen Stoß F2 auf das Papiermaterial 16, 18 aus. Hierbei sind die beiden Fügeelemente 10, 12 so angeordnet, dass beide gegeneinander wirken und zeitgleich gegeneinander verfahren werden können. Hierzu können die beiden Fügeelemente 10, 12 beispielsweise koaxial angeordnet sein. Zumindest dort, wo die beiden Fügeelemente 10, 12 aufeinander treffen, ist eine befeuchtete Stelle 14 im Papiermaterial 16, 18 vorgesehen. Dies wirkt sich positiv auf eine Fügeverbindung der beiden Papiermaterialien 16, 18 aus. Hierzu sind nicht eigens gezeigte Befeuchtungsmittel vorgesehen.
Das Ausführungsbeispiel gemäß 2 unterscheidet sich von dem vorhergehenden darin, dass anstelle des weiteren, beweglichen Fügeelements 12 ein Gegenelement 20 vorgesehen ist. Das Gegenelement 20 ist ortsfest und gegenüberliegend von dem Fügeelement 10 angeordnet und übt eine Gegenkraft auf das Fügeelement 10 aus, wenn dieses einen unelastischen Stoß auf das Papiermaterial 16, 18 ausübt. Das Fügeelement 10 besitzt eine Masse m3 und trifft mit einer Geschwindigkeit v3 auf die Oberfläche des Papiermaterials 16 auf. Dadurch entsteht ein unelastischer Stoß F3. Wiederum ist eine befeuchtete Stelle 14 zwischen den Schichten des Papiermaterials 16, 18 dort vorgesehen, wo das Fügeelement 10 auf die Oberfläche des Papiermaterials 16 auftrifft. Das bzw. die Fügeelemente 10, 12 können durch in den 1 und 2 nicht explizit gezeigte Antriebsmittel 22 bewegt werden.
Das Ausführungsbeispiel gemäß 3 zeigt eine konkrete Ausgestaltung der Vorrichtung zum Fügen von Papiermaterial 16, 18. Hierbei befindet sich das Fügeelement 10 an der Unterseite der Vorrichtung. Das Fügeelement 10 wird durch ein Antriebsmittel 22, beispielsweise ein Pneumatikzylinder, nach oben bewegt. Das Antriebsmittel 22 ist hinter einer Gestellwand 24 angeordnet. Die Gestellwand 24 lagert das Fügeelement 10 und das Gegenelement 20. Oberhalb des Fügeelements 10 befindet sich das Gegenelement 20 bzw. das weitere Fügeelement 12. Das Fügeelement 10 besitzt eine rechteckförmige, plane Oberfläche. Die Oberfläche des weiteren Fügeelements 12 bzw. des Gegenelements 20 ist so ausgebildet, dass es die durch das Fügeelement 10 aufgebrachte Kraft F1 aufnehmen kann. Hierzu ist die Oberfläche des weiteren Fügeelements 12 bzw. Gegenelements 20 parallel zur derjenigen des Fügeelements 10 ausgebildet.
Die beiden Fügeelemente 10, 12 treffen gleichzeitig auf das zu verbindende Papiermaterial 16, 18 auf. Bei dem Ausführungsbeispiel mit nur einem bewegten Fügeelement 10 bremst das Gegenlager 20 den Stoßimpuls schlagartig ab. In beiden Fällen wird dabei ein unelastischer Stoß F1, F2, F3 erzeugt. Dabei wird der größte Teil der kinetischen Energie der Fügeelemente 10, 12 in innere Energie (Wärme und Formänderungsarbeit) umgewandelt. Somit erfolgt eine sehr starke Kompression der Papiermaterialien 16, 18 an der befeuchteten Stelle 14, der Fügestelle. Die dadurch entstehende Reibungswärme bewirkt einen Übergang der fasereigenen Polymere im Bereich der Glasübergangstemperatur, also vom spröden in den plastisch formbaren Zustand. Dies ermöglicht ein Verbinden der Polymere. Durch die Formänderungsarbeit werden die zu verbindenden Papieroberflächen ineinander verwirkt. Die starke Verdichtung der plastifizierten Fügeflächen führt zu einer Annäherung der Papierfasern (im Bereich von kleiner 1 bis 3 nm), was für eine Wasserstoffbrückenbildung notwendig ist.
Die kinetische Energie kann mit der Formel Ekin = ½m·v² berechnet werden. Über die Geschwindigkeit v und die Masse m der Fügeelemente 10, 12 kann die Formänderungsarbeit und die entstehende Wärme an den Fügeflächen beeinflusst werden.
In einem Ausführungsbeispiel wurden zwei Papierproben mit einer Blattdicke von je 94 µm, also 2 × 94 µm = 188 µm bei einer Papierdichte von ca. 880 kg/m³ verwendet. Werden beide Papiermaterialien 16, 18 durch einen unelastischen Stoß verbunden, erfolgt eine bleibende Verdichtung der Fügestelle beim genannten Beispiel auf 142 µm. Die spezifische Wärmekapazität betrug 1,2 KJ/(KgK). Die Masse m1 des Fügeelement 10 liegt bevorzugt in einem Bereich von 0,1 bis 30 kg, besonders zweckmäßig betrug sie 2,5 kg. Die Geschwindigkeit v1 beim Auftreffen liegt bevorzugt in einem Bereich von 0,3 bis 10 m/s, besonders zweckmäßig betrug 1,4 m/s. Die Fügestelle hatte die Abmessungen 5 mm × 15 mm. Die lokale Temperaturerhöhung lag bei ca.140°C Der Papierquerschnitt zeigt an der Fügestelle ein weitestgehend offenes Papiergefüge mit der Fügestelle im Bereich der höchsten Verdichtung. Die eigentliche Verbindungsstelle kann nur erahnt werden, da keine Trennlinie mehr zwischen den beiden Papiermaterialien 16, 18 sichtbar ist. Es ergibt sich insgesamt eine stabile Fügeverbindung.
Die Fügeelemente 10, 12 können beispielsweise durch Antriebsmittel 22 wie beispielsweise ein Pneumatikzylinder bewegt werden. Dieses Antriebsmittel 22 zeichnet sich zum einen durch eine ausreichende Geschwindigkeit v1, v2, v3 aus. Außerdem kann ein Pneumatikzylinder gezielt geregelt werden, insbesondere in einer Einstellung der Verweildauer in der Fügeposition. Alternativ wäre die Realisierung des Antriebsmittels 22 beispielsweise über einen Kniehebel möglich. Wesentlich ist, dass die notwendige kinetische Energie durch den Mechanismus über die Parameter Masse m bzw. Geschwindigkeit v erreicht werden kann, um die erforderliche Formänderungsarbeit bzw. Wärme zu erzeugen. Zudem sollte eine gewisse Verweildauer eingestellt werden können. Die Verweildauer liegt bevorzugt im Bereich 0,1 bis 1 s.
Die dadurch entstandene Fügenaht hat eine vergleichbare Festigkeit zu einer konventionellen, beispielsweise mittels Heiß- oder Kaltleim erzeugten Fügeverbindung. Auf eine zusätzliche thermoplastische Beschichtung des Papiermaterials 16, 18 kann hierbei bewusst verzichtet werden.
Besonders zweckmäßig wird die befeuchtete Stelle 14 unmittelbar vor dem Fügevorgang mit Wasser, vorzugsweise mit demineralisiertem Wasser befeuchtet. Eine entsprechende Einrichtung zur Befeuchtung ist hierbei vorgesehen. Das für die Befeuchtung verwendete Wasser wirkt auf das Papier wie ein Weichmacher, indem es die Glasübergangstemperatur der fasereigenen Polymere senkt. Dadurch ist ein geringerer Energieeintrag notwendig.
Zudem muss sichergestellt werden, dass die Fügeelemente 10, 12 lange genug in der Fügeposition verharren. Die Dauer des Verharrens sollte eine hinreichende Trocknung der Fügestelle ermöglichen. Die Trocknung könnte zusätzlich beschleunigt werden durch Trocknungsmittel beispielsweise das Einbringen von Blasluft.
Die Fügenahtfestigkeit kann sehr einfach geregelt werden, indem die Masse m1, m2, m3, und/oder die Geschwindigkeit v1, v2, v3 des bzw. der Fügeelemente 10, 12 auf die gewünschte Festigkeit und Papiermaterial 16, 18 angepasst wird/werden.
Die Kraftaufbringung erfolgt durch schlagartiges Zusammenfahren der Fügeelemente 10, 12 mit einer bestimmten Masse m und einer bestimmten Geschwindigkeit v. Dieser notwendige unelastische Stoß kann mit schlagartig schließenden Fügeelementen 10, 12 ähnlich einem Hammerschlag erzeugt werden.
Im Rahmen der Erfindung und in experimentellen Untersuchungen hat sich überraschender Weise gezeigt, dass sich Papier, Karton und Pappe besser miteinander verbinden lassen, wenn, gemäß der Erfindung, ein unelastischer Stoß auf die Fügestelle ausgeübt wird.
Erfindungsgemäße Vorrichtung und erfindungsgemäßes Verfahren eignen sich insbesondere zur Verwendung bei Verpackungsmaschinen, bei denen eine Verbindung zumindest zweier Papierlagen bzw. zweier Kartonschichten bei entsprechenden Verpackungen erforderlich ist. Die Verwendung ist jedoch hierauf nicht eingeschränkt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0340334 A2 [0002]
DE 102013225745 A1 [0003]
DE 102013225743 A1 [0003]
DE 102013225737 A1 [0003]

Claims

Vorrichtung zum Verbinden von Papiermaterial (16, 18), insbesondere Papier, Karton oder Pappe, insbesondere ein Papiermaterial (16, 18) ohne zusätzliche thermoplastische Beschichtung, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Fügeelement (10, 12) vorgesehen ist, das auf das zu verbindende Papiermaterial (16, 18) einen unelastischen Stoß ausübt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein weiteres Fügeelement (12) vorgesehen ist, vorzugsweise dem Fügeelement (10) gegenüberliegend angeordnet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Gegenelement (20) vorgesehen ist, das dem Fügeelement (10) gegenüberliegend angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich beide Fügeelemente (10, 12) schlagartig schließen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügeelement (10, 12) für einen bestimmten Zeitraum in einer Fügeposition verharrt, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0,1 bis 1 Sekunde.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Befeuchtungsmittel vorgesehen ist, das eine befeuchtete Stelle (14) des Papiermaterials (16, 18) erzeugt, insbesondere unter Verwendung von Wasser, vorzugsweise von demineralisierten Wasser.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Trocknungsmittel vorgesehen ist zur Trocknung der Fügestelle.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Antriebsmittel (22), vorzugsweise ein Pneumatikzylinder und/oder ein Kniehebel, vorgesehen ist, das das Fügeelement (10, 12) bewegt.
Verfahren zum Verbinden von Papiermaterial (16, 18), insbesondere Papier, Karton oder Pappe, wobei das Papiermaterial (16, 18) keine zusätzliche thermoplastische Beschichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Fügeelement (10, 12) einen unelastischen Stoß auf das zu verbindende Papiermaterial (16, 18) ausübt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Festigkeit der Verbindung des Papiermaterials, vorzugsweise zumindest zweier Schichten des Papiermaterial (16, 18) beeinflusst wird durch eine Veränderung einer Geschwindigkeit (v1, v2, v3) und/oder einer Masse (m1, m2, m3) des Fügeelement (10, 12).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres Fügeelement (12) zeitgleich gegenüber dem Fügeelement (10) in entgegengesetzter Richtung zur Aufbringung eines unelastischen Stoßes auf das Papiermaterial (16, 18) verfahren wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum verbinden des Papiermaterials (5) kein Klebstoff, kein Thermoplast und vorzugsweise auch keine Druckfarbe, verwendet wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Verfahrensanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen des unelastischen Stoßes auf das Papiermaterial (16, 18) das Papiermaterial (16, 18) befeuchtet wird, insbesondere mit Wasser, vorzugsweise mit demineralisierten Wasser.